中国科大潘建伟院士团队等与海外团队合作《Science》发文报道首次观测到费米

80多年前，朗道建立了两流体理论，成功解释了氦-4液体（强相互作用玻色体系）的超流现象，并预言了熵或温度会以波的形式在超流中传播。熵波的性质与传统声波类似，它在传播过程中会逐渐衰减，因此朗道又将其命名为第二声（second sound）。第二声的传播和衰减与超流序参量直接耦合，是一种只存在于超流体中的独特量子输运现象。在费米超流中研究第二声的衰减行为，不仅能回答“两流体理论能否描述强相互作用费米超流的低能物理”这一长期存在的问题，还能表征强相互作用费米体系在超流相变处的临界输运现象。

由强相互作用（幺正）极限下的超冷费米原子形成的超流体具有极佳的纯净度与可控性，为研究第二声的衰减带来了全新的机遇，这也是超冷原子量子模拟领域的一个重要目标。想要观测第二声的衰减，不仅需要制备高品质的密度均匀费米超流，还需要发展探测微弱温度波动的方法。尽管费米超流已被实现近20年，上述两项关键技术却一直未得到突破，因此无法对第二声的衰减进行研究。

在该项工作中，中国科大研究团队经过4年多的艰苦攻关，搭建了一个全新的超冷锂-镝原子量子模拟平台，融合发展了灰色黏团与算法冷却、盒型光势阱等先进的超冷原子调控技术，最终成功地实现了世界领先的均匀费米气体的制备；与此同时，研究团队还基于低噪声行波光晶格与高分辨原位成像技术，实验实现并理论诠释了低动量传递（约百分之五的费米动量）与高能量分辨率（优于千分之一的费米能）的布拉格谱学方法，并利用其实现了对体系密度响应的高分辨测量。在取得上述两项关键技术突破的基础上，研究团队成功地在幺正费米超流体的密度响应中观测到了第二声的信号（如图1（D）所示），并获得了完整的幺正费米超流体的密度响应谱，实验结果与基于耗散两流体理论的描述高度吻合。

进一步地，研究团队获得了第二声的衰减率（声扩散系数），并以此准确测定了体系的热导率与粘滞系数。研究结果表明，幺正费米超流体的输运系数均达到了普适的量子力学极限值，例如第二声扩散系数约为?/m，热导率约为n?kB/m。这些极限值仅由约化普朗克（?）和玻尔兹曼常数（kB），粒子质量m和密度n决定。此外，他们还在超流相变附近观测到了上述输运量的临界发散行为，并发现幺正费米超流体具有一个可观的临界区（比液氦超流体临界区大约100倍）。这一发现为利用该体系开展进一步的量子模拟研究，从而理解强关联费米体系中的反常输运现象奠定了基础。

图1.（A）装置示意图。（B）探测方案示意图。（C）第一声信号。（D）第二声信号。

Science杂志的审稿人对该工作给予了高度评价,称该项工作“展示了令人惊叹的，实验的杰作”（This paper presents spectacular, “tour de force,” experiments,...），“这是一篇极为出色的论文”（This is an extremely impressive paper...），“该工作有望成为量子模拟领域的一项里程碑”（...this paper could be a milestone in quantum simulation...）。

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省和上海市等的支持。

原文链接：

Li et al., Second sound attenuation near quantum criticality. Science375, 528–533 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4480

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）